¿Qué es el Microscopio Electrónico de Transmisión?

Biól. Lorena María Luisa López Sánchez

Responsable del Microscopio Electrónico de Transmisión Red Biomimic, Unidad de Microscopía, Inecol, A.C.

Entre 1931-1933 el físico alemán Ernest Ruska y el ingeniero en electricidad también alemán Max Knoll desarrollaron el primer microscopio electrónico de transmisión (MET) para la observación de materiales. La academia sueca en 1986 galardonó a Ernest Ruska con el premio Nobel por la invención de este microscopio.

Han pasado más de 340 años desde que Antony Van Leeuwenhoek con la invención de su microscopio simple realizó el descubrimiento de las células espermatozoides en 1677, años en los que se ha ido perfeccionando el sistema de lentes del microscopio compuesto de luz (óptico o de fotones, hasta lograr microscopios tan sofisticados como el de contraste de fases o de fluorescencia; pero en 40 años o un poco más, los científicos lograron perfeccionar el MET. El mundo de las ciencias biológicas se amplió con la invención de la microscopía electrónica y la experiencia fue excitante al lograr ver imágenes del interior de una célula o de partículas de virus amplificadas miles de veces

Keith Porter y colaboradores en 1945 demostraron de manera contundente que el MET podía ser utilizado para observar los detalles del interior de las células con el descubrimiento de lo que años más tarde designaran como retículo endoplásmico (ER).

En la actualidad el microscopio electrónico se ha convertido en una herramienta fundamental en la investigación científica en diferentes áreas de la biología, medicina, materiales y nanopartículas.

¿Por qué utilizar electrones en vez de luz (fotones)?

El poder de resolución es la capacidad de observar con claridad dos objetos extremadamente cercanos, por ejemplo, dos puntos, con total nitidez. Para el ojo humano normal, el máximo poder de resolución sería distinguir claramente dos puntos que se encuentren separados entre sí por la décima parte de 1 mm [100 micrómetros o micras (µm)], el grosor de un cabello humano. El microscopio simple (de una sola lente) de Van Leeuwenhoek, producía una ampliación de hasta 275 veces (275x) con un poder de resolución de 1.4 µm, mayor al poder de resolución de los microscopios compuestos (de varias lentes) de su época.

Para un microscopio óptico compuesto, el poder de resolución máximo es de 0.2 µm o 200 nanómetros (nm), siendo un nanómetro la millonésima parte de 1 mm. Con la ayuda del microscopio compuesto es posible observar células humanas, células vegetales, levaduras, protozoarios, y bacterias logrando aumentos hasta de 1000x. En contraste, con el MET podemos observar objetos más pequeños que 200 nm como los coronavirus. Pero existen virus aún más pequeños como el bacteriófago (Fig. 4), que infecta bacterias. El tamaño de los fagos oscila entre 20 y 200 nm. Sin embargo, existen partículas como los rotavirus causantes de la gastroenteritis que miden aproximadamente entre 70-90 nm, los cuales son aún más pequeños que 100 nm ¡Más pequeños que la longitud de onda más corta de la luz visible (color violeta, 400 nm) y por debajo de los 200 nm!

¿Cómo observar cosas más pequeñas por debajo de los 200 nm, de lo que se alcanza a ver con un microscopio compuesto actual?

El Físico Ernes Abbe (1872) quien trabajaba para la compañía Carl Zeiss realizó avances fundamentales tanto en el diseño de los microscopios de luz como en el campo de la óptica teórica, y predijo desde aquel entonces que para mejorar el poder de resolución de los microscopios compuestos se necesitaba de longitudes de onda mucho más cortas que las de la luz visible.

Sin embargo, para que esto hubiese sido posible, pasaron muchos años; primero tuvieron que existir toda una serie de conocimientos científicos fundamentales que llevaron al descubrimiento del electrón, y de que éste tiene comportamiento de partícula y de onda, y que al pasar a través de un campo electromagnético los electrones desvían su trayectoria igual que los fotones lo hacen a través de una lente de cristal para formar una imagen. Ya en la primera mitad del siglo pasado, fue Louis De Broglie (1924) quien demostró que el electrón tenía propiedades de onda que sustancialmente son de longitud de onda más corta que la luz visible y Busch (1926) que demostró que un haz de electrones podía ser desviado por lentes magnéticas al igual que la luz es desviada por una lente de vidrio. Esta serie de hallazgos científicos permitió el desarrollo del primer tipo de microscopio electrónico, el MET, en un principio inventado para análisis de materiales.

¿Entonces qué es el MET y cómo funciona?

Es un instrumento científico con un peso aproximado de una tonelada y con una columna de alrededor de 1.5 metros de altura donde se utiliza alto voltaje para producir y enfocar un haz de electrones acelerados en alto vacío que al impactar en una de las caras de una muestra de tejido ultradelgada forman una imágen al emerger por la cara contraria. Con este instrumento que alcanza aumentos de 1000 000x hoy en día es posible ver desde los cromosomas y las moléculas de ADN (ácido desoxiribonucleico) hasta átomos con un poder de resolución de 0.2 nm.

La adaptación del MET para la observación de muestras biológicas trajo consigo el desarrollo de equipos y accesorios especiales para el procesamiento de las mismas como el ultramicrotomo y la cuchilla de diamante para poder obtener cortes de tejido ultrafinos que soporten el haz de electrones y el alto vacío, así como procedimientos histológicos con fijadores químicos y agentes contrastantes especiales para la preparación de las muestras.

El MET está compuesto por la columna que genera el haz de electrones, un sistema de alto vacío, un sistema de enfriamiento, corrientes de alimentación y un sistema de registro de la imagen. La imagen formada por los electrones es proyectada en dos dimensiones sobre una pantalla fluorescente y puede ser obtenida finalmente a través de una película fotográfica o de una cámara digital en una computadora..

La Unidad de Microscopía Avanzada del Clúster Científico y Tecnológico BioMimic® del INECOL cuenta con un Microscopio Electrónico de Transmisión JEOL JEM 1400Plus. Brinda el Servicio de Microscopía Electrónica de Transmisión y la asesoría técnica para la preparación y estudio de muestras biológicas.

Figuras

Fig 1. Microscopio simple. Utiliza una sola lente para ampliar las imágenes de los objetos observados. Se le atribuye al holandés Anton Van Leeuwenhoek haber introducido el microscopio a la atención de los biólogos. B) Comparación del microscopio compuesto con el MET. A) Imágenes obtenidas de internet. B) Imagen de la Unidad de Microscopia Avanzada, INECOL (Lorena ML López Sánchez).

Fig. 2 Imágenes de bacteriófagos que son virus que infectan exclusivamente a las bacterias. A) Representación de distintos bacteriófagos que atacan a una bacteria, ilustración en 3D. B) Gamma-fago a través de un microscopio electrónico de transmisión. C) Bacteriófago atacando a una bacteria. (Imágenes obtenidas de internet).

Fig 3. Imagen de células de la levadura de pan (Saccharomyces cerevisiae) que es un hongo unicelular obtenida de un microscopio de luz aumentada 630X. B) Imagen de una célula de la levadura de pan (Saccharomyces cerevisiae) obtenida en un microscopio electrónico de transmisión aumentada 1500 X. PC= pared celular; V= Vacuola; N= Núcleo; X= aumentos. Imágenes obtenidas por Lorena ML López Sánchez.

Fig 4.  Esquema interno del Microscopio Electrónico de Transmisión (obtenido de internet).

Fig. 5 (carrousel) Imágenes de partículas de rotavirus causante de gastroenteritis o infección intestinal. Magnificación 85,000 X. Barras equivalen a 90nm. Imágenes obtenidas por Lorena ML López Sánchez.

Fig. 6 Imágenes de partículas de rotavirus causante de gastroenteritis o infección intestinal. Magnificación 85,000 X. Barras equivalen a 90nm. Imágenes obtenidas por Lorena ML López Sánchez.

Palabras clave

Microscopía electrónica de Transmisión, poder de resolución, tamaño de virus.

Resumen

Gracias a los grandes avances en óptica y al descubrimiento del electrón y sus propiedades, se pudo generar la Microscopía Electrónica de Transmisión (MET) y con ella se ampliaron las puertas al mundo de las ciencias.